交流发电机的工作原理

1. 发电原理

交流发电机是利用线圈切割磁力线时在线圈中会产生感应电动势的原理发电的。 电路连接如图2.13所示，交流发电机的磁路如图2.14所示。 当点火开关接通时，励磁绕组通电建立磁场，三相绕组和磁力线之间产生相对运动，于是就在三相绕组中感应出近似于正弦曲线波形的交流电动势，由于三相绕组彼此之间结构完全相同，并且规则地分布在定子铁芯上，所以产生的三相电的大小相等，只是产生的早晚不同，相位相差一个120°，感应电动势输出波形如图2.15所示，瞬时值大小为:

式中 Em——每相电动势的最大值；

EΦ——每相电动势的有效值；

ω——电角度，ω＝2πf。

发电机每相绕组中所产生的电动势的有效值为:

式中 K——绕组系数(交流发电机采用整距集中绕组，K＝1)；

f——感应电动势的频率(Hz)P为磁极对数，n为转速(r/min)；

N——每相绕组的匝数；

Φ——每极磁通(Wb)。

图2.13 汽车交流发电机电路连接

图2.14 交流发电机的磁路

1—铁芯；2—励磁绕组；3，6—爪极；4—定子铁芯；5—三相绕组；7—漏磁；8—转子轴

图2.15 感应电动势输出波形

交流发电机三相绕组内感应电动势的大小与每相绕组串联的匝数以及感应电动势的频率成正比。 即三相绕组的匝数越多，转子转速越高，则绕组内产生的感应电动势也就越高。

2. 整流原理

交流发电机三相绕组中产生的交流电，利用整流器中的二极管的单向导通性把三相绕组产生的三相交流电整流为直流电。 6个二极管组成的三相桥式整流电路如图2.16所示。 三相绕组产生的电压波形及整流电压波形如图2.17所示。

图2.16 三相桥式整流电路

图2.17 绕组电压波形与整流电压波形

(1)二极管的导通规律。

三个正极管VD1、VD3、VD5的负极连接在一起，在某一瞬间，正极电位最高的管子导通。而三只负极管VD2、VD4、VD6的正极连接在一起，在某一瞬间，负极电位最低的管子导通。

(2)整流过程。

在0～t1时间内，W相电位最高而V相电位最低，则二极管VD4、VD5处于正向电压下而导通。其电流路径为:中性点→W相绕组→VD5→B→RL→E→VD4→V相绕组→中性点。W、V之间的线电压加在负载电阻RL上。

在t1～t2时间内，U相电位最高而V相电位最低，VD1、VD4导通。其电流路径为:中性点→U相绕组→VD1→B→RL→E→VD4→V相绕组→中性点。U、V之间的线电压加在负载电阻RL上。

在t2～t3时间内，U相电位最高而W相电位最低，VD1、VD6导通。其电流路径为:中性点→U相绕组→VD1→B→RL→E→VD6→W相绕组→中性点。U、W之间的线电压加在负载电阻RL上。

在t3～t4时间内，VD3、VD6导通。其电流路径为:中性点→V相绕组→VD3→B→RL→E→VD6→W相绕组→中性点。V、W之间的线电压加在负载电阻RL上。

依次下去，周而复始，在负载上得到一个比较平稳的直流脉冲电压，其电压波形如图2.17所示。

当三相绕组采用星形连接时，三相绕组三个末端的公共点，称为三相绕组的中性点，电路如图2.18所示，接线端子标记为“N”。

中性点对发电机搭铁端之间通过3只负极管整流(即三相半波整流)后得到的直流电压称为中性点电压，通常用于控制磁场继电器、充电指示灯继电器或提高发电机的输出功率。 中性点电压的平均值等于交流发电机输出直流电压的一半。

图2.18 具有中性点接线端子的交流发电机电路

3. 励磁方法

交流发电机不发电或者是转速低时，是蓄电池进行供电，能够正常发电后是自己供电。

(1)他励供电。

为了克服交流发电机在低速时不能很快建立电压的缺点，在发电机转速较低、发电机电压低于蓄电池电压时，由蓄电池通过点火开关向励磁绕组供给磁场电流，进行他励，使电压很快上升。

(2)自励供电。

交流发电机在不接外电源时，也能自励发电，但必须有剩磁并且转速要足够高才行。 由于交流发电机转子的爪极中存有一定剩磁，当转子以一定转速旋转时，在定子的三相绕组中便产生感应电动势，并经二极管整流后通过电刷和滑环加到励磁绕组上，于是励磁绕组中便有电流通过，磁场因而加强，使三相绕组交变电动势进一步提高。 这将又使磁场进一步加强，如此相互促进，发电机电动势很快升高。 但当加在硅二极管的正向电压小于其死区电压时，由于二极管呈现较大电阻不能导通，再加之它的剩磁又较弱，所以发电机在低速运转时不能建立电压，而只有在较高转速时，发电机的电压才能很快上升。 发电机在1000r/min左右时，即可向蓄电池充电，进行自励供电。

所以，汽车用交流发电机在低速时，其电压还未达到蓄电池充电电压时，是他励的；当高速时，发电机电压已达到蓄电池充电电压时，是自励的。